Naturgesetze
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Grundlagen zum Thema Naturgesetze
Inhalt
Naturgesetze in der Physik
Naturgesetze gelten als unausweichlich und unumstößlich. Im alltäglichen Leben begegnest du ihnen immer wieder, auch wenn es dir vielleicht nicht bewusst ist. Zum Beispiel wird etwas, das dir aus der Hand fällt, immer in Richtung des Erdbodens fallen. Doch was sind Naturgesetze überhaupt? Das wollen wir uns nun genauer ansehen.
Naturgesetze – Definition
Naturgesetze beschreiben Regelmäßigkeiten, die in der Natur vorkommen. Viele Ereignisse können durch Naturgesetze beschrieben und sogar vorhergesagt werden. Naturgesetze können nicht von außen beeinflusst oder außer Kraft gesetzt werden. Man findet in allen Wissenschaften Naturgesetze, zum Beispiel auch in der Biologie oder Chemie. Im Folgenden wollen wir eine Liste von physikalischen Grundgesetzen behandeln.
Naturgesetze – Beispiele
Newtonsches Gravitationsgesetz
Ein Beispiel, das wir schon in der Einleitung angedeutet haben, ist das newtonsche Gravitationsgesetz. Dieses besagt, dass alle Körper aufgrund ihrer Massen eine Anziehung aufeinander ausüben – die Gravitation. Je größer die Masse eines Körpers ist, desto stärker werden andere Körper zu ihm hin beschleunigt. Die Gravitation ist der Hauptgrund dafür, dass fallende Gegenstände immer zum Erdboden fallen. Die Gesetzmäßigkeiten der Gravitation können nicht beeinflusst oder außer Kraft gesetzt werden.
Vielleicht denkst du jetzt daran, dass Gegenstände in einem Raumschiff, das sich im Weltall bewegt, in der Luft schweben? Auch hier wirkt die Gravitation – allerdings hängt diese nicht nur von der Masse der einander anziehenden Körper ab, sondern auch von der Entfernung dieser zueinander. Durch die große Entfernung zur Erde oder zu anderen Himmelskörpern ist die Gravitation, die auf Gegenstände im Weltall wirkt, sehr gering. Auch wenn die Gravitation aufgehoben scheint, gilt sie noch immer.
Die Erhaltungssätze
In der Physik gibt es mehrere Erhaltungssätze, die beschreiben, dass bestimmte Größen nicht einfach so verbraucht werden können oder verschwinden – dazu gehört zum Beispiel der Energieerhaltungssatz oder der Impulserhaltungssatz. Auch diese Gesetze gelten immer.
Nun fallen dir vielleicht Situationen ein, in denen Energie zu verschwinden scheint: Zum Beispiel hat ein fahrendes Auto eine hohe Energie – sobald es bremst, ist diese aber augenscheinlich aufgebraucht. Doch das stimmt nicht, sie wurde nicht aufgebraucht, sondern umgewandelt: Die Reifen haben während des Bremsens eine hohe Reibung mit der Straße erfahren und dabei Wärme erzeugt. Die Bewegungsenergie wurde also in Wärmeenergie umgewandelt.
Genauso verhält es sich mit der Impulserhaltung. Wenn eine Kugel an eine Wand stößt und danach stehen bleibt, hat sie augenscheinlich ihren Impuls verloren. Jedoch wurde der Impuls an die Wand übertragen – da diese jedoch eine sehr hohe Masse hat, bewegt sie sich nach dem Stoß nicht.
Unterschied zwischen Naturgesetzen und Modellvorstellungen
Beobachtungen, die man nicht erklären oder mathematisch formulieren kann, werden oft mithilfe sogenannter Modellvorstellungen beschrieben. Mit diesen können viele Aspekte des beobachteten Systems beschrieben werden, jedoch nicht alle.
Eine Modellvorstellung wird beispielsweise in der Strahlenoptik verwendet, in der man Licht vereinfacht als geradlinige Strahlen beschreibt. Dadurch kann man viele Phänomene erklären, zum Beispiel die Lichtbrechung und Reflexion. Es gibt jedoch auch Lichteigenschaften, die nicht durch das Strahlenmodell erklärt werden können – zum Beispiel die Interferenz.
Ein weiteres Beispiel für eine Modellvorstellung ist das bohrsche Atommodell. In diesem wird angenommen, dass sich die negativ geladenen Elektronen in geschlossenen Bahnen um den positiv geladenen Atomkern bewegen. Einige Beobachtungen, zum Beispiel die Ausstrahlung von Licht in Form von Fluoreszenz, können durch dieses Modell beschrieben werden. Anderen Eigenschaften des Atoms, beispielsweise der räumlichen Struktur, widerspricht das Modell.
Transkript Naturgesetze
Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir beschäftigen uns heute mit Grundlagen und zwar mit den Naturgesetzen in der Physik. Wir lernen heute: Was ist ein Naturgesetz und wie entsteht es? Was ist eine "Modellvorstellung"? Und zum besseren Verständnis wollen wir uns das am Beispiel des Bohr’schen Atommodells nochmal genauer ansehen. Naturgesetze sind die zentralen Formeln der Physik; sie beschreiben, wie sich Zustände und Größen in einem physikalischen System unter bestimmten Umständen ändern. Die Entstehung solch eines Naturgesetzes geschieht in wenigen einfachen Schritten. Zuerst werden verschiedene Beobachtungen gemacht, also Versuchsergebnisse gesammelt, die uns Informationen darüber geben, was unter bestimmten Umständen passiert. Zum Beispiel: Ich lasse eine Kugel los und dann fällt sie runter. Daraus entwickelt man eine sogenannte Modellvorstellung, also eine vereinfachte Beschreibung. Für den Fall unserer Kugel wäre das zum Beispiel: Sachen, die man loslässt, fallen nach unten. Aus dieser Modellvorstellung entwickelt man nun im letzten Schritt das Naturgesetz, das heißt eine mathematisch formulierte Regel, in die ich Werte einsetzen kann und die mir voraussagt, wie lange genau meine Kugel fallen wird, wie schnell sie ist, wenn sie am Boden ankommt, und so weiter und so fort. Der Schritt, der die meisten Verständnisprobleme verursacht, sind die Modellvorstellungen und deswegen wollen wir ihn uns im nächsten Kapitel nochmal genauer ansehen. Eine Modellvorstellung ist, einfach ausgedrückt, eine vereinfachte Beschreibung eines Sachverhalts, die für bestimmte Bereiche gleiche, besser gesagt quasi gleiche, Ergebnisse wie die Realität liefert, für andere aber völlig falsche, oft sogar spektakulär falsche. Um beim Beispiel von gerade eben zu bleiben, unsere Modellvorstellung war: Dinge, die ich fallen lasse, fallen nach unten. Stellen wir uns aber nun mal vor, ich stelle mich auf den Kopf, wo ist denn dann unten? Wenn man unten einfach als die Richtung der Füße definiert, dann fallen Sachen plötzlich nicht mehr nach unten, sondern nach oben. Unser Gesetz, Dinge die man loslässt, fallen nach unten, waren also eine Vereinfachung, die zwar auf die meisten Fälle zutrifft, für andere aber völlig falsch ist. Merkt euch deswegen bitte: Verwechselt niemals Modell und Wirklichkeit. Im letzten Kapitel wollen wir uns nun nochmal ein solches Modell ansehen und zwar das Bohr'sche Atommodell. Um die Vorgänge im Atom, also in den kleinen Bauteilen, aus denen alle Materie besteht, zu erklären, entwickelte Niels Bohr folgendes Modell: Elektronen kreisen auf festen und diskreten Kreisbahnen um den Atomkern. Diskret bedeutet übrigens, dass nur bestimmte Energiewerte erlaubt sind und andere nicht. Sein Modell sah ungefähr so aus wie im Bild links. Die Idee war, dass die negativ geladenen Elektronen um den positiv geladenen Atomkern herumschwirren und durch Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Energie auf eine höhere beziehungsweise tiefere Bahn springen können. Um nochmal zu sehen, was es bedeutet, dass das Modell für manche Bereiche komplett richtig und für andere komplett falsch sein kann, wollen wir es nochmal auf zwei verschiedene Sachverhalte anwenden; nämlich erstens die Absorptions- und Emissionsspektren. Die Erklärung dieser beiden Phänomene war eine der großen Stärken von Bohrs Atommodell. Mit seiner Hilfe konnte nämlich endlich erklärt werden, dass bestimmte Stoffe immer Licht einer gewissen Wellenlänge aussenden, weil der Energieunterschied zwischen den Bahnen für dieses Material genauso groß wie die Energie dieses Lichtes ist. Für die Erklärung dieser Beobachtung ist das Bohr'sche Atommodell also optimal. Ganz anders sieht es dagegen aus, wenn ich versuche, das Aussehen der Atome mit dem Bohr'schen Atommodell zu beschreiben. Atome sind, das bestätigen viele Versuche, ungefähr kugelförmig. Wenn ich mir aber nun das Bohr'sche Atommodell ansehe, dann merke ich, dass das Elektron auf einer Kreisbahn um den Atomkern kreist. Das bedeutet, dass das Bohr'sche Atom eigentlich eine Scheibe ist. In diesem Bereich ist das Bohr'sche Atommodell also überhaupt nicht zu gebrauchen. Ihr seht, man entwickelt Modelle nur für einen bestimmten Anwendungsbereich und sie sind meistens auch nur in diesem Bereich brauchbar. Überlegt euch also immer, wenn ihr ein physikalisches Problem betrachtet, ob ihr das Gesetz, mit dem ihr es beschreiben wollt, hier auch wirklich anwenden dürft. Wir wollen nochmal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Naturgesetze entstehen, indem man aus Beobachtungen eine Modellvorstellung entwickelt, die dann zu einem mathematisch ausformulierten Naturgesetz führt. Modellvorstellungen sind vereinfachte Beschreibungen, die nur für bestimmte Anwendungsbereiche richtige Ergebnisse liefern. Am Beispiel des Bohr'schen Atommodells haben wir gesehen: Es liefert zwar richtige Ergebnisse für Emission und Absorption, aber völlig falsche Ergebnisse für das Aussehen des Atoms. So, das war’s schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.
Naturgesetze Übung
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Beschreibe den Begriff Naturgesetz.
TippsWas tust du in den Physikstunden - und warum?
LösungNaturgesetze sind das zentrale Element in der Physik. Sie werden durch Experimentieren und Modellieren formuliert. Jedes Naturgesetz ist nur innerhalb der festgelegten Grenzen gültig.
Ein Beispiel für ein Naturgesetz ist das Gravitationsgesetz von Isaac Newton. Die komplexe Formel beschreibt quantitativ die Anziehung zwischen Massen. Das Gravitationsgesetz sagt aus, dass beispielsweise auf der Erde alle Körper nach unten fallen. Die Entstehung dieses Naturgesetzes war jedoch ein langer Prozess. Entgegen der Legende kam Newton nicht aus dem Stegreif auf die Formulierung, als ihm angeblich ein Apfel auf den Kopf fiel. Aber vielleicht hat dieser Apfel ja einige langjährige Denkprozesse angestoßen...
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Erkläre, was die Besonderheiten von (physikalischen) Modellvorstellungen sind.
TippsInwieweit spiegelt ein Modell die Realität wieder?
Wo liegen die Grenzen jeder Modellvorstellung?
LösungModelle darf man nie mit der Wirklichkeit verwechseln. In Modellen wird stets nur ein Teil der Wirklichkeit dargestellt. Das liegt daran, dass die Realität sehr vielschichtig ist.
Außerdem werden zur Anwendung von Modellen nur bestimmte Parameter benötigt. Modelle reduzieren also die Wirklichkeit auf die wesentlichen Punkte. So machen sie häufig mathematische Überlegungen überhaupt erst möglich, da diese sonst viel zu komplex wären. Dadurch können Modelle die gewünschten Ergebnisse (fast) wirklichkeitsgetreu nachbilden und vorhersagen.
Aber dies ist nur innerhalb der Modellgrenzen möglich. Wendet man ein Modell unter falschen Voraussetzungen an, so liefert es in der Regel falsche Resultate.
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Erkläre die Aussagen des Bohrschen Atommodells am Beispiel des Natriums.
TippsAus welchen Bestandteilen ist ein Atom aufgebaut?
Was charakterisiert eine Bahn in diesem Modell?
Wie gelangen die kleinen Objekte von einer Bahn zur anderen?
Wann nehmen sie dabei Energie auf und wann geben sie dabei Energie ab?
Welche tatsächlichen Eigenschaften beinhaltet das Modell und welche nicht?
LösungDas Bohrsche Atommodell beschreibt den Aufbau eines Natriumatoms folgendermaßen:
Um den Atomkern aus 11 Protonen (und Neutronen) kreisen die 11 Elektronen auf festen Bahnen. Die Position dieser Bahnen ändert sich nicht. Jeder Bahn ist dabei ein bestimmter (diskreter) Energiewert zugeordnet. Ein Elektron, welches sich auf dieser Bahn bewegt, besitzt genau diese Energie.
Springt ein Elektron auf eine höher gelegene Bahn, benötigt es dafür Energie. Gelangt es hingegen auf eine tiefere Bahn, gibt es dabei Energie ab. Da der Abstand zwischen den Bahnen und Energieniveaus festgelegt ist, kann man jeder Elektronenbewegung eine bestimmte aufgenommene oder abgegebene Energiemenge (und damit Lichtfarbe) zuordnen.
Mit dem Bohrschen Atommodell lassen sich daher die Absorptions- und Emissionsspektren erklären. Die Abbildung zeigt das Emissionsspektrum (oben) und das Absorptionsspektrum (unten) von Natrium.
Nicht berücksichtigt hingegen ist im Modell die räumliche Ausdehnung eines Atoms in drei Dimensionen. Daher kann mit dem Bohrschen Atommodell keine sinnvolle Aussage über das tatsächliche Aussehen von Atomen getroffen werden.
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Ordne das Ohmsche Gesetz als Naturgesetz ein.
TippsWoran erkennst du eine mathematisch formulierte Regel?
Wie sind Messwerte dargestellt?
Was ist die Voraussetzung, damit dieses Gesetz gültig ist?
LösungAm Beispiel von Georg Ohm kann man das Entstehen eines Naturgesetzes in der Physik gut nachvollziehen.
Bevor er den entsprechenden mathematischen Zusammenhang aufstellen konnte, musste er zahlreiche Messreihen aufnehmen. Dabei kombinierte er auch die bereits vorhandenen Ergebnisse von anderen Wissenschaftlern und modellierte das Verhalten metallischer elektrischer Leiter mit den beiden Grundgrößen Spannung und Stromstärke.
Dennoch besitzt das Ohmsche Gesetz nur einen kleinen praktischen Anwendungsbereich. Besonders die Tatsache, dass das Naturgesetz nur bei konstanter Temperatur gültig ist, schränkt seine Anwendungen ein. Nichtsdestotrotz ist es historisch gesehen ein sehr wichtiger Entwicklungsschritt.
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Gib die beiden zur Formulierung eines Naturgesetzes wichtigsten Voraussetzungen an.
TippsWelche drei Schritte gibt es bei der Entstehung eines Naturgesetzes?
LösungWie auch immer die einzelnen Naturgesetze in der Physik ihren Anfang gefunden haben - bis zu ihrer exakten Formulierung ist es meist ein langer Weg.
Ist das Interesse der Physik geweckt, werden zahlreiche Untersuchungen in Form von Versuchen und Experimenten durchgeführt, um das zugrundeliegende Phänomen möglichst genau zu erforschen. Dabei muss nicht jeder Versuch eine streng akribische Arbeit sein, manchmal steht auch das bloße Testen und Ausprobieren im Vordergrund.
Sind die Rahmenbedingungen festgesteckt, so kann eine Modellvorstellung festgelegt werden. Diese berücksichtigt nur die relevanten Parameter des zukünftigen Naturgesetzes, da sie sonst sehr schnell unübersichtlich oder unlösbar wird.
Aus den Daten und dem Modell wird im letzten Schritt dann meist ein mathematischer Zusammenhang (eine Regel) formuliert, der als Naturgesetz bezeichnet wird.
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Entscheide, ob es sich bei den gezeigten Bildern um Modelle handelt.
TippsWas könnte auf den einzelnen Bildern dargestellt sein?
Handelt es sich dabei jeweils um ein Modell?
LösungAlle gezeigten Bilder sind Modelle, die in der Physik gebräuchlich sind. Von links nach rechts sind dies im Einzelnen: das Teilchenmodell (gasförmiger Stoff oder Flüssigkeit), das Feldlinienmodell eines Gravitationsfeldes (wie der Erde), ein Modell zur Veranschaulichung von Stoßprozessen, ein Atommodell (Thomsonsches Atommodell) und das Lichtstrahlenmodell (zur Erklärung von Licht und Schatten).
Und die Liste der Modelle lässt sich beliebig fortsetzen. Modelle sind in der Physik allgegenwärtig. Sie veranschaulichen Sachverhalte und Prozesse und ermöglichen die Voraussage von Ereignissen. Je nach Funktion können Modelle sehr reduziert sein oder auch viele Informationen enthalten. Wie viele Modelle hast du wohl in der letzten Physikstunde verwendet?
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Gutes Video, sehr hilfreich!
So habe ich mir gar nicht unter diesen Gesichtspunkte daran gedacht. Sehr aufbauend! Mach weiter so.
Super, hatte das Thema noch gar nicht, sber trotzdem hats geholfen! Hab alles verstanden
Eigentlich sollte dieses Video doch auch für den Chemiebereich gelten, oder? Ich habe jedenfalls nach Videos zum Bohrschen Atommodell gesucht und war ziemlich überrascht, etwas dazu in Physik zu finden, Na ja, egal, hat trotzdem geholfen... :)